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2 Revisão Bibliográfica
2.1 Propriedades do Bambu
Sendo a indústria da construção uma das mais contaminantes, o uso dos
materiais não convencionais e renováveis como bambu tem um papel muito
importante na sustentabilidade e ecologia do mundo atual, pois esses materiais
apresentam baixo custo, alta produtividade, rápido crescimento, boa resistência
mecânica (especificamente resistência à tração), e redução do consumo de
energia na sua produção quando comparado com materiais convencionais. Para
exemplificar, o consumo de energia na produção de bambu é cinquenta vezes
menor do que o consumo de energia na produção de aço (Ghavami, 1992;
Ghavami & Marinho, 2001 - 2002).
O bambu pertence à família das gramíneas. Existem aproximadamente 80
gêneros e até 1200 espécies que se encontram em climas tropicais e
semitropicais na Ásia, América e África. No entanto, algumas espécies, como a
Phyllostachys pubenscens (Mosso), crescem também em clima temperado. Em
geral, o bambu cresce rapidamente, como nas espécies Dendrocalamus
giganteus ou Guadua angustifólia, chegando a uma altura de 10 a 20 m em
menos de um ano. O bambu tem a forma de um tubo ligeiramente cônico e o
diâmetro exterior pode variar de 2 a 25 cm segundo a espécie (Obermann e
Laude, 2004; Liese, 1999).
Ghavami e Marinho (2002) afirmam que para o uso do bambu em grande
escala como material de engenharia economicamente viável e com possibilidade
de industrialização, faz-se necessário um estudo científico sistemático, através
dos processos de plantação, colheita, cura, tratamento e pós-tratamento, além
de uma completa análise estatística das propriedades físicas, mecânicas e
dinâmicas do colmo do bambu inteiro.
Em seguida será apresentado um resumo sobre as propriedades
botânicas, além de detalhes da macro, meso e micro estrutura dos bambus
estudados para uso nas obras de engenharia, explicam se conceitos gerais da
morfologia do bambu e seu uso como material de construção, e as
23
particularidades do bambu da espécie Phyllostachys aurea que é usado no
desenvolvimento deste trabalho.
2.1.1 Botânica
O bambu pertence à família das Poaceae, da subfamília Bambusoideae,e
se subdivide em duas tribos, a Bambuseae (lenhosos) e a Olyrae (herbáceos). É
uma planta angiosperma e monocotiledônea, e como as árvores apresenta uma
parte aérea constituída pelo colmo, folhas e ramificações (Figura 2.1a) e outra
subterrânea composta pelo rizoma e raiz (Figura 2.1b). Características como cor,
altura total, distância entre os nós, diâmetro externo e espessura da parede
dependem da espécie, do período e da idade do corte (Londoño, 2004).
Anatomicamente, a seção transversal dos colmos de bambu está constituída por
40% de fibras de celulose, principal fonte de suas propriedades mecânicas, 50%
de células parenquimosas, responsáveis pela rigidez e durabilidade dos tecidos
e 10% de vasos vasculares de poliusacaridos de baixa resistência, chamados de
hemiceluloses (Liese, 1999). Assim, segundo Ghavami et al. (2003), a estrutura
interna dos bambus pode ser considerada como um material compósito de fibras
de celulose longas e alinhadas dentro de uma matriz de lignina.
(a) (b)
Figura 2.1 Botânica do bambu (a) Parte aérea (b) Raízes (Bambusa vulgaris, PUC
- Rio).
24
A densidade é uma propriedade física do bambu que varia entre 500 a
1000 kg/m³, dependendo da estrutura anatômica como a quantidade e
distribuição das fibras em torno dos feixes vasculares, aumentando do centro
para a periferia e da base ao topo do colmo. A densidade máxima é obtida
aproximadamente aos três anos dos colmos (Liese 1992; Sattar et al. 1991;
Kabir et al. 1993; Espiloy 1991 apud Sattar, 1995; Pereira 2001).
2.1.2 Macro, meso e micro estrutura
A macroestrutura do bambu é definida pelas características de diâmetro,
espessura, espaçamento entre nós, seu formato cilíndrico-cônico geralmente
oco, onde se percebe a variação da espessura do colmo e das paredes
conforme aumenta sua altura. A mesoestrutura considera a variação da
densidade de fibras na espessura do colmo, diminuindo a concentração da
parede externa para a interna. Já a microestrutura mostra que as fibras externas
são mais circulares, menores e mais densamente distribuídas que as fibras
internas que tendem à forma elíptica (Figura 2.2) (Ghavami et al., 2003).
A estrutura do bambu é constituída de forma auto-otimizada com o
desenvolvimento dessas características. Esta propriedade natural é conhecida
como Funcionalidade Graduada (Functionally Graded Material, FGM). Através
desta característica, o bambu apresenta boa resistência frente aos esforços aos
quais está sujeito na natureza, como peso próprio e flexão devido à força do
vento, comportando-se como um material leve e de excepcionais características
mecânicas (Culzoni, 1985; Murad, 2005; Krause, 2009).
Microscopia 50X 200μm 200μm
(a) (b)
Figura 2.2 Microestrutura de uma seção de parede do colmo de bambu (a) Bambu
Dendrocalamus giganteus (b) Bambu maciço Bambusa tulda (Foto: Khosrow Ghavami).
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Através da análise micro-mecânica do bambu, é possível perceber que
suas fibras não são uniformemente distribuídas na espessura. No entanto, para
obter as constantes de engenharia, é preciso estabelecer uma função da fração
volumétrica das fibras em relação à espessura que permita assumir uma
distribuição de fibras simétrica ao eixo radial x com origem na parede interna.
Em seguida pode-se aplicar o conceito da regra das misturas tradicional. Assim,
por exemplo, o módulo de elasticidade no eixo principal 1 (longitudinal no sentido
das fibras) E1, pode ser expresso de forma simplificada pela eq. (2.1) (Ghavami
et al. 2003 – apud Rusinque, 2009):
(2.1)
Na análise macro-mecânica, o bambu é apresentado como um elemento
estrutural de compósito, porém “as propriedades macroscópicas são expressas
em termos de propriedades efetivas de um material homogêneo equivalente e as
relações constitutivas − são modeladas através de valores médios de tensão
e deformação obtidos experimentalmente, ao invés de considerar propriedades
de fibras e matriz isoladamente” (Ghavami et al. 2003 apud Rusinque, 2009).
As propriedades macromecânicas do bambu como diâmetro, espessura e
espaçamento entre nós, foram estabelecidas pelo grupo NOCMAT da PUC–Rio
(Ghavami & Marinho, 2001, 2002, 2005; Ghavami & Pires, 2009) para as
espécies Mosó, Matake, Guadua angustifólia, Guadua tagoara e Dendrocalamus
giganteus (Figura 2.3). Tais bambus foram plantados no Rio de Janeiro e em
São Paulo. Nestas espécies observou-se que o comprimento internodal cresce
da base para o meio do colmo onde atinge o máximo valor e decresce no topo; o
diâmetro externo diminui da base para o topo num comportamento quase linear,
e a espessura da parede varia no mesmo colmo e entre as espécies estudadas.
Destacam-se as espécies Guadua tagoara, Guadua angustifólia e Matake com a
maior variação de espessura da parede, sendo Guadua tagoara a espécie com
maior espessura e menor comprimento internodal e Dendrocalamus giganteus
com maior diâmetro, maior altura total e maior comprimento internodal, entre as
espécies estudadas. As diferenças entre as espécies estudadas ocorrem devido
a fatores como origem e local de onde as amostras foram extraídas, clima,
relevo, manejo do plantio, idade e teor de umidade (Ghavami & Marinho, 2002).
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(a) (b)
Figura 2.3 Bambu Dendrocalamus giganteus. a) PUC-Rio. b) Jardim botânico.
(Foto: Khosrow Ghavami).
2.1.3 Morfologia do bambu
A estrutura externa do bambu é formada pelos sistemas subterrâneos de
rizomas, colmos, galhos e folhas. A planta pode apresentar flores ou frutos, por
vez, ou dois, simultaneamente. Os colmos são formados por uma série alternada
de nós e internós. Com o crescimento do bambu, cada novo internó é envolvido
por uma folha caulinar protetora (bainha). Os colmos são formados por fibras,
vasos e condutores de seiva, que estão gradualmente distribuídas na seção
transversal, envolvidos por uma matriz denominada parênquima (Ghavami &
Marinho, 2005 apud Ghavami & Côrtes, 2009). A estrutura do bambu se divide
em:
Rizomas: São caules subterrâneos compostos de nó, internó e
geralmente broto e uma ou mais raízes, a partir das quais nascem os colmos
para formar a sua parte aérea. O crescimento radial e longitudinal dos rizomas
aumenta anualmente. Os rizomas são divididos em três grupos principais, em
função da sua ramificação:
a) Paquimorfos ou Aglutinados (simpodial): Estas espécies são
características de trópicos. Com forma de bulbos, possuem entrenós compactos
e muito curtos, como nos gêneros Bambusa, Guadua e Dendrocalamus
giganteus. O diâmetro máximo geralmente é um pouco maior do que o diâmetro
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do colmo que o formou; os segmentos do rizoma são sólidos e mais largos do
que longos, o pescoço é curto ou alongado, igual ou menor do que o seu próprio
rizoma. Este tipo é também chamado de “determinado” porque produz um
número limitado de outros eixos a partir de um eixo matriz (Judziewicz et al.,
1999 apud Ghavami & Marinho, 2002). Eles desenvolvem-se horizontalmente
sobre curtas distâncias com disseminação radial padrão de três rizomas por
cada bulbo de rizoma original. Vários sistemas radiculares podem penetrar e
sobrepor uns aos outros. Assim, a rede de raiz de bambu forma uma proteção
eficaz contra a erosão, atrasa a drenagem e absorve a água da chuva
armazenando umidade (Judziewicz et al., 1999).
b) Leptomorfos ou Alastrantes (monopodial): são alongados e
finos, tendo os entrenós longos e espaçados, como nas espécies Phyllostachys
e Arundinaria. Têm um diâmetro máximo não maior e, geralmente, um pouco
menor do que diâmetro dos colmos que emanam dos mesmos; os segmentos
são mais longos do que largos, são cilíndricos e ocos, e o pescoço é sempre
curto. É considerado indeterminado, pois o eixo principal pode se desenvolver
indefinidamente e continuar a produzir outros eixos adicionais (Judziewicz et al.,
1999 apud Ghavami & Marinho, 2005). A espécie monopodial cresce
horizontalmente sobre grandes distâncias, a razão de 1-6 m de comprimento.
Estas espécies podem ser encontradas em regiões subtropicais com um clima
temperado (Judziewicz et al, 1999).
c) Anfipoidal ou Intermediário: Caracterizam-se por rizomas que
apresentam ramificação combinada dos dois grupos anteriores numa mesma
planta, como no gênero Chusquea (Lopez, 1981 apud Cruz, 2002).
Raízes: Crescem dos nós dos rizomas sendo mais finas que eles. São
desegmentadas, não produzem folhas e nem nós. Além disso, possuem
diâmetro muito pequeno e podem se ramificar. Sua função é fornecer nutrientes
e a água absorvida do solo para as plantas. As raízes podem até mesmo
armazenar amido, embora essa função é, na maioria das vezes, desempenhada
pelo rizoma (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).
Colmos: Nascem do ápice do rizoma e consistem em um sistema de
eixos segmentados, com uma sucessão de nós, internós, galhos e folhas
(Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).Os colmos têm secção
transversal circular e são ligeiramente cônicos axialmente a partir da base para o
topo afinam-se gradualmente. Os colmos podem crescer retos e exatamente
verticais, curvado ou rastejando. Algumas espécies de bambu crescem até 5
28
centímetros por hora, a espécie Guadua angustifólia, por exemplo, cresce até 12
centímetros por dia. Consideram-se maduros os seguintes três processos têm se
desenvolvido: o crescimento máximo do seu diâmetro, a distensão dos internós e
o endurecimento através da lignificação (Liese, 1995 apud Ghavami & Marinho,
2005). A descrição das partes dos colmos se apresenta a seguir:
a) Nós: Os nós fornecem os pontos de inserção onde se perdem as folhas
de bainha e se originam as ramificações. Eles ajudam a aumentar a resistência
do colmo contra fendilhamento e flambagem. Dentro da estrutura de bambu são
representados pelo prato sólido horizontal de feixes vasculares, conhecido como
diafragma (Figura 2.4) (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).
b) Internós: A distância entre dois nós consecutivos é definida como
internó. As dimensões variam para cada espécie. Quando jovem, sua superfície
é verde, depois se torna amarelada, às vezes marrom ou preta ou de cor
uniforme. Eles podem ter um padrão de distribuição longitudinal de diferentes
cores e larguras. São geralmente ocos, podendo ser maciços ou conter água. O
diâmetro e a espessura da parede diminuem com o aumento da altura do colmo
(Figura 2.4) (Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).
c) Bainha: É uma folha modificada que envolve a parte basal do colmo,
protegendo contra danos mecânicos e insetos nocivos durante o seu
crescimento nos primeiros anos. Quando jovem, a parte externa da bainha é
coberta com pelos irritantes que possuem coloração variada, como branca,
cinza, marrom ou preta. A sua face interna é lisa e brilhante (Figura 2.4) (Lopes,
2003; Judziewicz et al., 1999 apud Ghavami & Marinho, 2005).
Figura 2.4 Partes do colmo de bambu (Dendrocalamus giganteus) (Foto: Khosrow
Ghavami).
29
d) Galhos: Dos brotos dos nós nascem os galhos cobertos pelas folhas
da bainha que são as ramificações dos colmos (Figura 2.5). O colmo permanece
livre de galhos por um período menor do que um ano até desenvolver sua altura
máxima. A ramificação se inicia a partir do topo para baixo e, em algumas
espécies, pode se estender à base do colmo. Cada broto crescendo fora do solo
já contém, em miniatura, todos os nós, segmentos e diafragmas com que o
colmo crescerá totalmente somente depois. Nas espécies do grupo paquimorfo,
o galho origina-se no ápice do rizoma e nas espécies do grupo leptomorfo, em
gemas laterais do rizoma (Ghavami & Marinho, 2002).
Figura 2.5 Galhos de bambu (Phyllostachys pubescens) (Foto: Khosrow Ghavami).
e) Folhas: são lâminas de folhas caulinares que se tornam bem mais
alongadas que as folhas caulinares dos colmos (Figura 2.6). Elas efetuam a
fotossíntese através da luz solar e crescem em galhos conectadas à bainha por
uma projeção de sua veia principal, em forma de uma curta haste. Quando a
folha seca, começando pela ponta, esta haste quebra, e a bainha permanece
conectada por mais tempo ao galho (Bambu brasileiro, 2002; Ghavami & Côrtes,
2009).
Flores, Frutos e Maturidade: Normalmente os bambus florescem
apenas uma vez na sua vida e morrem depois de dar frutos, embora algumas
espécies possam florescer anualmente sem morrer. Durante o período de
30
florescimento, o colmo perde as folhas, e depois novas folhas são formadas.
Dependendo de cada espécie, esse processo pode levar de 3 a 4 anos ou até
120 a 160 anos.
Figura 2.6 Folhas de bambu (Dendrocalamus giganteus) (Foto: Khosrow
Ghavami).
O florescimento pode ser de três tipos: anual, esporádico ou em massa. O
florescimento anual ocorre nos bambus herbáceos, enquanto o florescimento
esporádico e em massa ocorrem nos bambus lenhosos. No florescimento
esporádico, as flores aparecem apenas em grupos particulares e em colmos
isolados dentro da mesma touceira (pé da planta com raízes). Na floração em
massa todos os ramos têm flores simultaneamente e podem se estender por
grandes áreas. Nesse caso toda a mata floresce e ocorre a morte do colmo e do
rizoma (Salgado & Azzini, 1994 apud Ghavami & Marinho, 2005). Todos os
frutos de bambu são comestíveis, mas a maioria cai no chão antes do
amadurecimento. Os colmos morrem e caem no chão apenas algumas semanas
após a produção de flores e frutos (Bamboo as a building material, 2002).
31
2.1.4 Bambu como material de construção
Cresce mundialmente a preocupação pela preservação do meio ambiente,
conservação de recursos naturais e o uso de materiais de construção de baixo
custo, reduzido consumo de energia e gerando menor polução. Assim, os
materiais não convencionais, por exemplo, as fibras vegetais, o bambu e o solo,
apresentam-se como uma alternativa ecológica e viável nesses aspectos
(Ghavami, 2002).
Há milhares de anos o homem tem usado o bambu em estruturas civis,
utensílios domésticos, implementos agrícolas, instrumentos musicais, produtos
medicinais, artesanato e alimentação (brotos). Ele é muito empregado em
regiões onde é um abundante recurso natural, como na Ásia e em vários países
da América Latina, por exemplo, Peru, Equador, Costa Rica e Colômbia. Na
construção civil, o bambu já foi muito utilizado especialmente em casas de um e
dois andares e pontes, apresentando vantagens como material de construção,
como sua flexibilidade e adaptação às diversas formas, resistência mecânica e
leveza (peso específico baixo), além de ser um material renovável que contribui
com os projetos de sustentabilidade (Hidalgo, 2003 apud Menezes, 2004;
Marquez, 2006).
Pesquisas sobre as propriedades físicas e mecânicas (Ghavami, 1997,
2001, 2002; Culzoni, 1996; Cruz, 2002; Krause, 2009; et. al.) caracterizaram
alguns tipos de bambu e contribuíram para estabelecer normas para seu uso e
análise. No entanto, ainda falta desenvolver modelos confiáveis para o cálculo
estrutural e aprofundar pesquisas sobre seu tratamento, durabilidade e
confiabilidade (Krause, 2009), assim como complementar estudos na análise
estática e especialmente na análise dinâmica (Da Rosa, 2005; Tamayo, 2009), e
pelo que pode se encontrar na literatura atual este é um dos primeiros estudos
do comportamento dinâmico estrutural, inicialmente em modelo reduzido, e que
fornecerá bases para estudos posteriores em escala real.
O rápido crescimento do bambu, de até 30 a 40 cm por dia, é de interesse
global no seu desenvolvimento como material de construção em comparação
com materiais convencionais, como a madeira e o aço. O bambu alcança sua
maturidade e suas fibras atingem sua máxima resistência entre os três a seis
anos dependendo da espécie e da plantação, sendo apropriado para a utilização
em estruturas civis. Depois deste período, a resistência começa a decair e os
colmos mudam lentamente a cor até secar completamente (Cruz, 2002).
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“Segundo Ghavami, a resistência à tração do bambu pode chegar a 370
MPa. Isto torna atrativo o seu uso como um substituto do aço e com um custo
energético por unidade de resistência muitas vezes menor, pois é de mais fácil
aquisição, não necessita de máquinas para ser colhido e, pelo seu pouco peso, é
de mais fácil transporte. A razão entre a resistência e seu peso específico é mais
do que 6 vezes maior que aquela do aço normal, i.e., aço A36. A resistência do
bambu à compressão é 30% menor do que sua própria resistência à tração, com
a vantagem de que o bambu é mais flexível que o aço, sendo muito empregado
na construção civil em países com ocorrência de terremotos” (Regis, 2004).
As construções de bambu precisam de uma proteção para não receber
diretamente umidade nem raios do sol, além de tratamentos pelo ataque de
fungos e insetos. Um problema estrutural das construções de bambu é a ruptura
por cisalhamento. Para isso, uma das medidas preventivas é trabalhar com as
barras em feixes para diminuir o número de execução de nós e encaixes, por
outro lado, a solução encontrada por Simón Vélez foi injetar concreto no nó.
Essa solução foi considerada anti-ecológica por muitos arquitetos que preferiram
buscar soluções alternativas como, por exemplo, a encontrada pelos arquitetos
Eduardo Aranha e Francisco Lima, de utilizar parafuso sempre o mais próximo
possível de um nó do bambu com anéis de borracha para aumentar o ponto de
contato entre a arruela e a superfície do bambu, o que diminui as tensões em
torno dos parafusos nas uniões estruturais (Marquez, 2006).
2.1.5 Phyllostachys aurea
Esta espécie pertence à família Poacea, subfamília Bambusoidae, tribo
Bambuseae, subtribo Shibataeinae, gênero Phyllostachys e a espécie aurea. É
uma espécie nativa da China, que é encontrada também no Japão, Taiwan,
América Central, América do Sul e no Brasil, onde é conhecida pelo povo como
cana da Índia, vara de pescar ou bambu-jardim. Essa espécie é uma das mais
conhecidas em todo o mundo e a que melhor tem se adaptado ao clima
temperado, devido aos seus rizomas leptomorfos ou alastrantes. Sua altura varia
em média de 4 a 12 m e seu diâmetro entre 2 e 7 cm. Seus colmos são rígidos e
se apresentam verdes quando jovem ficando amarelo esverdeado com o passar
do tempo (Ohrnberger, 1999). Na pesquisa de Da Rosa (2005) foram obtidos
valores de massa específica de 808 Kg/m3 e coeficiente de Poisson de 0.34.
33
“No Brasil é uma das espécies mais utilizadas para a fabricação de
móveis, varas de pescar e estruturas trançadas. Diferentemente da Ásia, aqui
ela é usada em detrimento das espécies de diâmetros maiores. Sua aplicação se
deve à alta resistência ao ataque de Dinoderus minutus, inseto que ataca
bambus, e pelo fato de se curvar facilmente quando suas fibras são expostas ao
aquecimento. Deve-se tomar cuidado com o seu cultivo, pois é uma espécie
altamente invasiva” (Santanna, 2008 apud De Castro e Silva, 2005). As espécies
do gênero Phyllostachys são comumente utilizadas em construção, mas é uma
espécie muito pouco estudada do ponto de vista de suas propriedades físicas,
mecânicas e mesoestruturais (Cruz, 2002).
No trabalho de Cruz (2002) é citado Ohrnberger (1999) com a hipótese de
que “na base, os internós são menores que na parte intermediária e no topo” e
segundo Santanna (2008), “a espécie Phyllostachys aurea é um dos bambus
com menores dimensões, e os diâmetros externos e internos tendem a diminuir
com o aumento da altura do colmo”. Porém, Ghavami& Marinho (2001-2002) e
Ghavami & Côrtes (2009) desenvolveram a pesquisa em diferentes espécies
determinando que o comprimento internodal é menor na parte basal, atingindo o
máximo valor na parte intermédia, e na parte superior decresce novamente,
como pode ser visto na Figura 2.7.
Figura 2.7 Comprimento internodal em relação aos nós ao longo do colmo do
bambu inteiro (Ghavami & Marinho, 2001).
34
Ghavami & Marinho (2002) estabeleceram relações em função do
comprimento internodal, sendo maior para as espécies Guadua angustifólia e
Dendrocalamus giganteus do que para Phyllostachys aurea e Guadua tagoara; a
espessura da parede da Guadua tagoara é superior às outras espécies
estudadas; as lacunas são mais uniformes no bambu Phyllostachys aurea e mais
arredondadas para a Guadua angustifólia e os menores diâmetros são
apresentados pela espécie Phyllostachys aurea.
Os nós da espécie Phyllostachys apresentam menores valores de
resistência à tração que os internós, porém deve-se ressaltar que algumas
espécies têm valores similares nos nós e nos internós (Xavier, 2004). Estudos
têm avaliado a influencia da presença do nó e da posição de onde foi extraído o
bambu na caracterização de propriedades mecânicas. A Tabela 2.1 mostra os
valores encontrados por Cruz (2002) das propriedades mecânicas de
Phyllostachys aurea em diferentes regiões do colmo, avaliando também a
influência da presença de nó na resistência do bambu.
Tabela 2.1 Propriedades mecânicas do Phyllostachys aurea em diferentes regiões
do colmo (Cruz, 2002).
Propriedades do P. Aurea
Base com nó
Base sem nó
Mediana com nó
Mediana sem nó
Topo com nó
Topo sem nó
Média
Resistência à tração (MPa)
174,7 193,1 220,3 234,8 167,1 272,4 210
Módulo de elasticidade na tração (GPa)
19 18,5 16,3 20,8 15,2 23,7 18,9
Resistência ao cisalhamento
paralela às fibras (MPa)
3,1 3,9 3,4 4,6 4,1 4,6 3,9
Resistência ao cisalhamento transversal às fibras (MPa)
51 44,5 47,1 46,9 37,8 44,6 45,4
Resistência à compressão
(MPa) 72,6 68,6 51,3 79,86 75,5 77 70,9
Módulo de elasticidade na
compressão (GPa)
24,3 21,1 22,7 25,4 22,3 33,1 24,8
Os resultados demonstram que o bambu é mais resistente à tensão na
parte média para casos com e sem nó. Em geral, a resistência à compressão
35
não se altera pela presença ou falta de nó, ao contrário da tração que é menor
quando tem nó devido à descontinuidade das fibras longitudinais, sendo
aproximadamente três vezes maior que a resistência à compressão.
Xavier (2004) fez uma pesquisa com o objetivo de “atribuir ao bambu da
espécie Phyllostachys aurea condições de aplicabilidade como material de
construção, na condição de tecido lenhoso e as propriedades físicas, químicas e
mecânicas adequadas, preservado com compostos de baixa toxidez à base de
ácido bórico e tanino de acácia negra”, usando colmos maduros do município de
Seropédica – RJ. Os resultados obtidos mostram que a resistência mecânica
desta espécie é bastante favorável em função dos seus elevados valores de
resistência à compressão. Verificou-se também uma elevada resistência natural
a insetos xilófagos da ordem Isóptera, sendo indicado o seu uso no contexto da
indústria da construção civil.
2.2 Ligações em Bambu
As dificuldades para que as ligações de bambu sejam simples e eficientes,
devem-se às particularidades geométricas específicas do bambu, como
diâmetro, espessura, comprimento variável dos internós ao longo da altura do
colmo, além da superfície externa lisa e a característica dos internós de serem
ocos. Por outro lado, pelo risco de fendilhamento na direção paralela às fibras do
bambu e o esmagamento da parede no caso de cargas excessivas, devem-se
evitar carregamentos transversais à direção das fibras.
As ligações de peças de bambu envolvem procedimentos e limitações que
dependem de diferentes fatores, especificados abaixo:
Bambus de pequeno diâmetro (inferior a 5 cm): são exemplos a Bambusa
tuldoides e várias espécies pertencentes ao gênero Phyllostachys. O
procedimento de cálculo deve incluir o dimensionamento (área da seção
composta e distância entre os espaçadores), a consideração da geometria da
estrutura e a ação de ventos. Devido à esbelteza desses colmos, pode ocorrer
sua flambagem isolada, então os nós desempenham uma amarração transversal
diminuindo a possibilidade desse efeito, embora com este tipo de estribo natural,
colunas e vigas de colmos de bambus dessa categoria devem ser solidarizadas
entre si por meio do uso de elementos transversais de reforço, que podem ser:
Diafragmas do colmo: por suas características anatômicas diferenciadas em
relação ao internódio, sendo sólido, mostra-se um material adequado para
36
suportar esforços de compressão transversal (diametral). Porém, por seu
elevado teor de amido, é uma das mais atacadas pelo caruncho, e precisa
de uma proteção adequada;
Partes de colmos: podem ser utilizadas partes de colmos da mesma espécie
ou de espécie de maior diâmetro. O ideal é que sejam obtidas peças
contendo nós nas extremidades, para evitar que as mesmas sejam mais
facilmente atacadas pelos insetos, ou que sirvam de depósito de umidade;
Pedaços de madeira (geralmente roliça): neste caso deve-se atentar pela
durabilidade, que é muito variável entre as diversas espécies de madeira;
Latas de alumínio ou garrafas PET: embora sejam materiais extremamente
lisos e, portanto, com baixa aderência à camada externa e igualmente lisa
do colmo, tais materiais, geralmente descartados, mostram boas
possibilidades de atuarem como elementos enrijecedores transversais das
ligações. Porém, semelhantemente aos internódios do bambu, também não
apresentam resistência à compressão transversal e devem ser reforçados,
por exemplo, com preenchimento de areia;
Tubo de PVC rígido: o principal problema no seu uso refere-se à dificuldade
de se obter um travamento eficiente da estrutura, pois o PVC também é
muito liso. No entanto, pode-se perfurá-lo para introduzir lhe pequenos
elementos metálicos transversais, nos quais se efetua a amarração;
Peças de plástico: visando padronizar a construção de uma estrutura com
número significativo de peças de bambu, ou quando se deseja reproduzir o
projeto em várias instalações, podem-se moldar peças com a função
específica de desempenhar a função de elemento de ligação transversal;
Peças metálicas: uma das grandes vantagens apresentadas do seu uso é a
rapidez na montagem e na desmontagem das mesmas, o que as qualificam
para uso em áreas de maior porte mediante a repetição de pequenos
modelos. Além da possibilidade de uso de chapas metálicas nas ligações,
também se destacam as peças fundidas que são especialmente
dimensionadas para conectar vários colmos, de acordo com ângulos
definidos em cada projeto.
Bambus de maior diâmetro: o colmo desse tipo de bambu geralmente é
superdimensionado em termos de resistência aos esforços de compressão ou de
flexão. Quando carregado axialmente suporta elevadas cargas, considerando os
limites para evitar a flambagem. Porém, em situações onde ocorrem maiores
esforços, por exemplo, em pontes que cubram longos vãos, ou em estruturas
espaciais, também é necessário o uso de seções compostas. Nesses casos,
37
pela importância dos esforços atuantes nas estruturas, os elementos de ligações
transversais devem ser projetados adequadamente, de modo a suportar as
cargas transversais que poderiam provocar o esmagamento do internó do colmo
ou o fendilhamento, que poderia resultar na ruptura longitudinal dos colmos. A
ação individual ou coletiva desses esforços provoca a instabilidade da estrutura.
As estruturas portantes em bambu geralmente apresentam uma
particularidade na forma de efetuar os encaixes das peças. Com o auxílio de
ferramentas simples ou de serras-copo, os colmos são cortados de acordo com
ângulos específicos para cada situação, adotando-se, geralmente, a técnica da
“boca de peixe”. Essa modificação na superfície dos colmos permite que os
esforços sejam distribuídos de forma homogênea ao longo da espessura da
parede durante o carregamento.
Em estruturas mais simples, sujeitas a pequenas cargas, ou que visem
vencer pequenos vãos, tais tipos de entalhes efetuados nos colmos mostram-se
muito eficientes quando combinados com outros elementos auxiliares de ligação,
tais como pinos de madeiras, arame, fitas plásticas ou fibras vegetais. No
entanto, em estruturas de maior responsabilidade, os elementos de ligação
devem apresentar comportamento diferenciado em relação ao bambu e, na
maior parte dos casos, até mesmo superior em termos de desempenho físico-
mecânico, visto que nesses pontos singulares da estrutura normalmente ocorrem
os esforços de maior magnitude. Nesses casos, os elementos de ligação mais
recomendados são:
Chapas e pinos metálicos: as chapas podem ser utilizadas paralelamente às
fibras do bambu, colocadas em faces opostas, em caso de emendas
horizontais, ou dobradas de acordo com a inclinação da peça, em pontos
singulares da estrutura.
Peças roliças de madeira: introduzidas no colmo de bambu, de forma a
poderem receber a fixação com elementos metálicos (pinos e parafusos);
Polímeros reforçados com fibras sintéticas: o uso desses materiais mostra-
se adequado principalmente para o caso da industrialização e da
padronização das estruturas em bambu. Caso a aderência polímero-bambu
seja deficiente, a capacidade de reforço reduz-se acentuadamente. Por
meio de pequenos cortes efetuados na parte superior do colmo, a seguir
resinado nessa região, que é envolta por fibras sintéticas, pode-se obter
peças de mesmo diâmetro para os diferentes colmos, o que simplifica a
montagem da estrutura, principalmente quando se trabalha com encaixes
projetados especificamente para tal fim.
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Estruturas espaciais tensionadas: pela elevada resistência do bambu aos
esforços de tração paralela às fibras comparada com os esforços de
compressão, nessa mesma direção, é mais eficiente quando se combina o
bambu com cabos metálicos que o submetam à tração paralela às fibras.
Inicialmente, o arquiteto Oscar Hidalgo no Manual de Construção com
Bambu, e depois o NSR 2010, “Reglamento Colombiano de construcción
Sismoresistente Titulo G.12.111. Uniones en Guadua” apresentam os tipos de
cortes dos elementos de bambu para as ligações: corte reto, corte a boca de
peixe e corte pico de flauta, como pode se observar nas Figuras 2.8 e 2.9.
1) Com orelha 2) Com duas
orelhas 3) A bisel 4) Pico de flauta
5) Boca de peixe
Figura 2.8 Entalhaduras utilizadas na união de peças de bambu (Hidalgo, 2003).
a) Corte reto: corte perpendicular ao eixo.
b) Corte a boca de peixe: Côncava de corte ao longo do eixo do bambu.
c) Corte pico de flauta: Este corte é usado para conectar bambu que chega
a diferentes ângulos de 0 ° e 90 °, pode ser feito como uma boca de
peixe inclinada ou dois cortes.
(a) (b)
(c)
39
(d) (e)
Figura 2.9 – Empalmes usados na prática artesanal. (a) Bisel. (b) Pico de flauta.
(c) Boca de peixe. (d) Com orelha. (e) Exemplos de aplicação. (Hidalgo, 2003).
Nas ligações do presente trabalho foi utilizado o corte a bisel nos
elementos de vigas e colunas, acrescentando-se um fio de aço no meio para dar
rigidez à ligação e preenchendo-se os elementos com massa Durepoxi. As
ligações ficaram então como mostra a figura 2.10:
Figura 2.10 Ligação de bambu a 45° (Hidalgo, 2003).
Muitas pesquisas já foram realizadas sobre ligações de bambu, em
diferentes escalas. Abaixo encontram-se resumos de cada uma destas
pesquisas.
Ghavami e Moreira (1996) desenvolveram uma ligação de uma placa de
alumínio com extremos de pino para fazer uma conexão nodal para vários
colmos de bambu usando a espécie Dendrocalamus giganteus. O corte
longitudinal da região de ligação foi preenchido usando um envoltório de fibra de
sisal para reforçar o final de cada colmo. Além, estudaram o esmagamento, o
fendilhamento e o cisalhamento da ligação dos pinos. Com os resultados foram
fornecidas equações de desenho para esse tipo de ligação (Sharma, 2010).
Inoue et al. (2004) propõem métodos de fabricação de ligações usando
bambu Madake: um pino fixado em uma lâmina de bambu cheia e um anel de
aço preso com as cavidades preenchidas com gesso. Os tipos de conexões
foram testados assim: o primeiro, em tensão, exibiu falhas pull-out e a maior
40
capacidade; o segundo falhou através de deslizamento do anel de aço e um
terceiro tipo de ligação, através de reforço de aço utilizando bainhas, anéis de
aço e aço de reforço interno, apresentou os mesmos resultados das duas
anteriores, no entanto o seu peso aumentou significativamente (Sharma, 2010).
Guzman e Morel (2005) estudaram um tipo de reforço para o bambu de
fibra de vidro reforçada com polímero (GFRP), o qual apresentou um resultado
mais dúctil em ensaios de compressão paralela e perpendicular às fibras
(Sharma, 2010).
Laroque (2007) estudou ligações produzidas comercialmente, tais como 1)
polos pré-fabricados tampados com uma resina e conector; 2) ligações nodais
que transferem as forças do membro ao nó por meio de uma vara de metal; 3)
conexões esféricas que são parafusadas ao membro de bambu e rebocadas; e
4) um sistema de tubos inseridos no colmo conectados com ganchos em forma
de “U” e parafusos, sendo esta ligação projetada seguindo códigos tradicionais
para aço. Ligações com o centro de madeira usam uma ranhura no membro de
bambu que é preenchido com uma cavilha de madeira colada e podem ser
projetadas usando métodos de construção civil de madeira (Sharma, 2010).
Lamus e Takeuchi (2009) ensaiaram ligações viga-pilar de bambu Guadua
angustifólia submetidas a ensaios pseudo-estáticos de carga e descarga, e
determinaram a rigidez das ligações com as curvas M vs. θ. Também foram
testados três pórticos de dois e três andares com cargas horizontais aplicadas
no andar superior. A ligação estudada era composta por uma viga de dois
elementos longitudinais e uma coluna de quatro colmos. Tanto a viga quanto a
coluna possuíam separadores do mesmo bambu (Figura 2.11). Os pórticos
ensaiados com este tipo de ligação tiveram grandes deslocamentos às cargas
laterais com drifts superiores a 5% sem apresentar falhas que pudessem
conduzir ao colapso.
(a) (b)
41
(c)
Figura 2.11 Ligação de bambu (a) Detalhe da viga, (b) Detalhe da coluna, (c) Vista
lateral da ligação. (Lamus e Takeuchi, 2009).
Marquez e Meirelles (2006) estudaram estruturas existentes no Brasil e na
Costa Rica, comparando a funcionalidade das ligações segundo o tipo de obra.
O Hotel do Frade e Golf Resort, construído pelo arquiteto colombiano Simón
Velez e a empresa Bambu-jungle, usando bambu Dendrocalamus giganteus, tem
as ligações conhecidas como “Tipo Velez” (Figura 2.12a), que consistem em
colmos preenchidos com concreto nos internós e as ligações das peças feitas
com barras de aço, principalmente entre os pilares e a fundação. O mesmo tipo
de ligação encontra-se na estrutura do restaurante do Parque Natural
Agropecuário da Costa Rica PANACA, projetado pelos arquitetos colombianos
Maria Mercedes e Simón Velez, com bambu Phyllostachys pubescens. No
Pavilhão da ONG sócio-ambiental IBIOSFERA, com os arquitetos Edoardo
Aranha e Fransisco Lima (Figura 2.12b), usando bambu Phyllostachys
pubescens, apenas a base dos pilares é preenchida com concreto e as ligações
são feitas com parafusos posicionados o mais próximo possível de um dos nós
do colmo. São utilizados também anéis de borracha para aumentar o ponto de
contato entre a arruela e a superfície do bambu a fim de diminuir as tensões em
torno dos parafusos nas uniões estruturais, sendo esta uma solução mais
ecológica do que a proposta Tipo Velez. Nestas obras verificou-se a viabilidade
do uso do bambu como material de construção devido a fatores como a
flexibilidade e sua adaptação a diversas formas, além de dar ênfase a
importância do processo construtivo das ligações para cumprir com sua
funcionalidade estrutural.
42
(a)
(b)
Figura 2.12 Tipos de ligações de estruturas existentes. (a) Ligações tipo Simón
Velez. (b) Ligações tipo Edoardo Aranha. (Marquez e Meirelles, 2006).
Sharma (2010) avaliou o desempenho de pórticos e definiu uma base para
ligações apropriada para a construção indígena genuína. Um protótipo do
sistema de pórtico de bambu foi construído e sujeito a um teste pushover. O
pórtico plano possuía colunas de quatro colmos que tinham como base uma
ligação cavilada e rebocada em um pedestal de concreto. A ligação coluna–viga
superior era composta de múltiplas ligações de um único parafuso (Figura 2.13).
A) Desenho axonométrico
B) Elevação lateral
C) Elevação longitudinal
D) Momento de encerramento e
forças relacionadas
E) Momento de abertura e forças
relacionadas
Figura 2.13 Protótipo da ligação do pórtico coluna-viga (Sharma, 2010).
O protótipo do pórtico feito com bambu Phyllostachys aurea, no
Laboratório de Estruturas e Materiais LEM da PUC – Rio, foi submetido a testes
43
de tensão longitudinal e resistiu a esforços de até 233 MPa, com um módulo de
elasticidade de 16200 MPa. O pórtico foi carregado e descarregado para obter o
seu comportamento cíclico e também das ligações utilizadas.
(a) (b)
(c)
Figura 2.14 Pórtico do teste (a) Pórtico do teste, (b) Detalhe da base da coluna,
(c) Montagem e instrumentação do teste (Sharma, 2010).
O teste do pórtico foi realizado para determinar o comportamento das
bases de coluna e a ligação–coluna-viga. O deslocamento vertical base das
colunas foi mínimo e a linha central dos colmos da coluna foi rotada em torno de
um único ponto. Assim, a rigidez do pórtico foi quase exclusivamente oferecida
pelas ligações de topo, cuja rigidez em grande parte resulta da forte resistência
oferecida pelos membros de cabeçalho fora do plano (Sharma, 2010).
2.2.1 Influência das Ligações na Análise Dinâmica
A análise estrutural, seguindo os conceitos básicos de rigidez, é realizada
relacionando-se as forças aplicadas aos deslocamentos e deformações que
provocam nos elementos estruturais (De Castro e Silva, 2004). A análise
dinâmica, além de fornecer informações a respeito do estado de integridade dos
44
elementos, possibilita as verificações dos parâmetros dinâmicos, tais como
frequência natural e amortecimento, e inclui a avaliação da rigidez das estruturas
que depende da rigidez das ligações (Almeida, 2010). As ligações têm uma forte
influência no comportamento estático, dinâmico e de instabilidade das estruturas
interligadas, o que afeta evidentemente o dimensionamento de peças como
vigas, pilares e barras (Cunha et. al., 2008).
A dissipação de energia em estruturas planas sob cargas dinâmicas tem
fontes principais que podem ser um comportamento histerético das ligações e a
fricção entre os elementos que formam o conjunto viga-pilar. Diferentes tipos de
dispositivos de dissipação de energia podem ser instalados em ligações, a fim de
aumentar a capacidade de absorção de energia estrutural. Dois tipos de
dissipação de energia podem se apresentar: o amortecimento histerético devido
ao comportamento não-linear de ligações e o amortecimento viscoso nas
ligações. Em geral, os efeitos desses amortecimentos são acoplados. Como se
supõe que todos os elementos estruturais, exceto as ligações, permanecem
elásticos através de toda capacidade de carga, a dissipação de energia em
rótulas plásticas não pode ser observada. O amortecimento viscoso em ligações
pode reduzir consideravelmente a resposta de deslocamento e forças internas
do pórtico. Os aumentos de não-linearidade geométrica com as cargas
gravitacionais e laterais das deflexões laterais do pórtico têm maior influência no
pórtico com conexões flexíveis do que com as ligações rígidas (Sekulovic, 2002).
2.3 Análise Dinâmica das Estruturas
Na literatura sobre análise dinâmica de bambu, encontrasse o trabalho de
Da Rosa (2005) feito com o objetivo de fazer um estudo experimental para
levantar as propriedades dinâmicas, em particular o amortecimento estrutural de
três espécies de bambu Dendrocalamus giganteus, Guadua angustifólia e
Phyllostachys aurea, sobre segmentos de seção aberta e de seção circular
fechada. Com o ensaio de vibração livre de segmentos de bambu, os valores
médios obtidos do fator de amortecimento foram 1,518 %, 1,322 % e 0,989
respectivamente; e das frequências naturais obtiveram se valores para a
primeira de 8 Hz, 9 Hz e 11,25 Hz e para a segunda 53,95 Hz, 69,47 Hz e 76,50
Hz respectivamente.